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1、同济大学硕士研究生学位论文选题报告及论文工作计划 课 题名 称 类特异材料的电子复合结构的研究 学 号 1132132 研 究 生 刘伟伟 专业、年级 凝聚态物理 级 所在院、系 物理科学与工程学院 物理系 导 师 江海涛 副教授 选 题 时间 年 10 月 15 日 同济大学研究生院年 月 日一、立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值本课题来源 973项目，国家重点基础研究发展规划“光子晶体的带隙调控机理与新现象研究”；国家自然科学基金项目；上海市科委重点开放项目课题：类特异材料的电子复合结构的研究。 人们在很久以前就知道，在受限电子体系中，当入射电子的能
2、量和量子阱结构允许带中离散化的能级相等时，便可发生共振隧穿现象33。但是，如果入射电子的能量落在结构中所有材料的禁止带中，那么电子波便无法在该结构中输运，不能发生隧穿现象。然而在电磁领域，人们发现将两块本身不透明的电单负材料和磁单负材料组合在一起，在满足阻抗匹配和相位匹配条件的频率点处，结构的等效折射率为零（称为等效零折射率特异材料），可以实现对电磁波的完全隧穿现象，即由不透明材料组成了一个透明的结构。因此，我们可以考虑在半导体材料中寻找到电磁单负材料的电子对应，并实现电子在全是禁带的结构中的完全隧穿现象，即将单负特异材料中的电磁波完全隧穿现象推广到半导体结构中。本课题，我们对麦克斯韦方程和薛
3、定谔方程及两种体系的边界条件进行分析，发现对于一维体系，电磁材料参数中的介电常数和磁导率都可用电子的能量、有效质量和所处的势场所满足的一定关系来类比。通过选取具有特殊能带结构的半导体材料，分别类比为电磁体系中的电单负材料、磁单负材料、左手材料以及零折射率材料，进行合理的结构参数设计，研究这种电子复合结构的性质及其应用。 本课题的理论意义在于研究类特异材料中类比再现特异材料中出现的奇异现象，即电子波与电磁波的传输性质的类比。实际应用价值在于对调控电子波的相关器件的研制具有指导意义。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；所阅文献的查阅范围及手段在经典电磁波领域，特异材料对电磁波有着许多奇异的调控作
4、用，如负折射现象、平面亚波长成像、“隐身”现象，负的古斯-汗欣位移现象，反PT对称等。由于波的相通性，人们发现很多在经典波中出现的奇特现象可以移植到电子体系中来，可以将特异材料的奇异电磁波传播现象与特殊电子能带所导致的新奇电子传输现象联系起来，如 年V.Cheianov 等人将双负特异材料中的平面成像推广到石墨烯p-n 结中的电子传输调控22。因此我们考虑采用类比的方法，希望能将特异材料中的一些其他的特性也在电子体系中实现。文献查阅范围：IEEE journals, AIP journals, APS journals, Science, Nautre, APL，PRL,PRB，PRE查阅手段
5、：联机检索与手工查阅相结合所查阅的文献：1 O. A. Kocharovskaya and Y. I. Khanin, Jetp. Lett. 48,630(1988).2 S. E. Harris, Phys. Rev. lett. 62,1003(1989).3 R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, Science 292, 77(). 4 J. B. Pendry, Phys. Rev. lett. 85,3966(). 5 D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B.
6、 Pendry, A. F. Starr, and D. R. Smith, Science 314, 977().6 Dentcho, A. Genov, S. Zhang, and X. Zhang, Nature Physics 5, 687(). 7 C. L. G. Alzar, M. A. G. Martinez, and P. Nussenzveig, Am. J. Phys. 70, 3741 ().8 M. F.Yanik, W. Suh, Z. Wang, and S. Fan, Phys. Rev. Lett. 93, 233903 ().9 E. Waks and J.
7、 Vuckovic, Phys. Rev. Lett. 96, 153601 ().10 Andrea Al, Mrio G. Silveirinha,Alessandro Salandrino, and Nader Engheta, Phys. Rev. B 75, 155410 ().11 Viet Cuong Nguyen, Lang Chen,and Klaus Halterman.105, 233908 ().12 Jiaming Hao, Wei Yan, and Min Qiu, App.Phys.Lett. 96, 101109().13Bolin Liao, Mona Zeb
8、arjadi, Keivan Esfarjani, and Gang Chen，Phys. Rev. Lett. 109, 126806().三、研究内容1学术构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术本课题主要是通过设计各种类特异材料构成的电子复合结构来实现电子波与电磁波性质的类比，实现石墨烯以及拓扑绝缘体中的零折射率材料，双负以及单负材料，调节不同的结构参数，利用传输矩阵法研究其各种特性，总结电子波在其中传播的规律，分析产生的原因以及影响波的输运性质的因素，深入了解局域共振机制；应用电磁场理论、能带理论、量子光学和一些相应的理论知识对共电子波通过类特异材料所表现性质的进行理论分析。主要研究
9、内容：(1) 研究特异材料中奇异电磁波传播现象的物理机制，并找到可以优化突破的地方，为后面电磁波与电子波的类比探究做准备。(2) 设计类特异材料的电子复合结构，使之能够类比于电磁体系中的电单负、磁单负以及零折射率材料，将电磁波中出现的奇异现象移植到电子体系中，在这个基础上，寻找电子体系中所特有的性质，找出其物理机制。(3) 利用线性和非线性元件对电子波在结构中的传播性质进行调控，设计有潜在应用价值的结构。关键技术:(1) Matlab，C+传输矩阵法和FDTD结合，研究各种复合结构的有效参数(2) CST Microwave Studio 电磁场仿真模拟(3) 微波实验验证（4）电磁场理论、量
10、子光学、能带理论、紧束缚模型等方面相应的理论知识2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析本课题采取理论与实验相结合的方法。先查阅文献，从理论上进行预测，并设计出具体的结构，利用传输矩阵方法及Matlab编程对其场分布及透射特性进行计算。然后利用CST Microwave Studio进行全场仿真，对理论计算得到的结果进行验证。最后再进行实验，在实际器件上验证仿真得到的结果，做到理论与实验相结合。我们课题组长期从事光子带隙材料及相关问题的研究，多年来在光子晶体，特异材料等方面取得了一系列的研究成果。我们已经具备了相当丰富的理论知识，并拥有完善的实验材料加工设备和微波测试设备，为课题的实
11、施提供了条件。此课题得到了国家基础研究937项目、国家自然科学基金项目、上海市科委重点开放项目资助。这保证了本课题的顺利实行。此外也对本课题进行了前期的调研。基于课题组已取得的成果和调研结果，本项目是切实可行的。四、研究基础1所需实验手段、研究条件和实验条件1利用高校和上海市图书馆丰富的馆藏资源以及便捷的互联网了解最新的发展状并进行理论分析和推导2用ADS，CST等数值模拟软件进行仿真计算3进行实际器件的制作4用网络分析仪对制作的器件进行测量2所需经费，包含经费来源、开支预算（工程设备、材料须填写名称、规格、数量）所需经费由国家937项目，上海市科委重点开放项目资助1计算机模拟软件，计算机硬件
12、2微带线基板材料3微波加工设备4微波测试仪器五、工作计划/-序号阶段及内容工作量估计（时数）起讫日期阶段成果形式查阅文献，学习使用相关计算软件，设计研究方案，进行前期准备工作。（1） 根据对电磁波中反PT对称，古斯-汉欣位移，“彩虹”效应等现象的理论分析，进行材料结构的设计，并进行编程计算。（2） 根据对计算数据的分析，类比到电子波体系，进行材料结构的设计，以达到理想现象，并发现探究电子波所具有的独特的性质，比如电子波cloaking等。（3） 对结果作进一步理论分析，确定其真伪。（1） 总结理论的研究结果。（2） 完成毕业论文。8001000800.9.12.12.8.8.12初步了解特异材
13、料和电磁波、电子波的性质及相关的研究方法。掌握电磁波、电子波在分别在特异材料和类特异材料的复合结构中的传播特点，理解相关现象的产生机制。发表论文12篇发表论文12篇。合计同济大学硕士研究生学位论文选题报告评分表评审项目权重评 分 标 准得分（百分制）一、选题依据（A）30%80100分选题有较强的理论意义、实用价值，深刻的学术研究内涵。6080分选题有一定的理论意义、实用价值，有一定的学术研究内涵。60分以下选题缺乏理论意义和实用价值。二、理论基础和专门知识(B)20%80100分较好的掌握坚实宽广的理论基础和系统专业知识6080分基本的掌握坚实宽广的理论基础和系统专业知识60分以下未能掌握坚
14、实宽广的理论基础和系统知识三、选题难度及先进性(C)30%80100分研究课题属本学科发展方向并居前沿位置，具有自己独特的思考、研究课题具有较强的先进性6080分研究课题属本学科的发展方向，并具有先进性。60分以下研究课题与本学科的发展方向先进性不明显，难度欠佳。四、文字表达（D）10%80100分条理清晰，分析严谨，文笔流畅6080分条理较好，层次分明，文笔较流畅60分以下写作能力较差五、口头报告(E)10%80100分论文严密、逻辑性强、表达清楚。6080分基本概念清晰、层次分明。表达较清楚。60分以下表达较差总分总分=0.3A+0.2B+0.3C+0.1D+0.1E备注：评审专家只对五项指标每一项的最后一栏内打分（百分制），不必计算总分。评审小组组成：组成姓名职称单位签字导师成员注：此评分表作为硕士研究生课程成
